（机械工程专业论文）重型汽车驾驶室人机工程学分析.pdf

中文摘要 论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 重型汽车驾驶室人机工程学分析 机械工程 王首玉( 签名) 屈文涛( 签名) 季同盟( 签名) 摘要 国内重型汽车驾驶室在设计时人机工程学理论应用尚不完善，由于重型汽车人机工 程设计缺陷而引起驾驶员大部分患有程度不同的颈部、肩部及腰部疾患，极大的影响到 驾驶员的健康。本文根据重型汽车的操作驾驶特点和人机工程学相关国家标准，运用人 机工程学的相关知识，将汽车驾驶室成熟设计理念应用到重型汽车上，以安全、健康、 舒适、高效为技术指标，对德龙f 3 0 0 0 驾驶室进行人机工程学分析。 本文从研究对象德龙f 3 0 0 0 的现状入手，描述了其车身结构和驾驶室功能定位；通 过问卷调研的方式从驾驶室的可操作性、人机交互、视野、驾驶室内环境4 种驾驶室人 机性能影响因素得出用户评价，分析统计出目前驾驶室在人机t 程方面存在的不足。 最后在c a t i a 平台下运用人机工程学理论，根据选定人群的人机数据，对德龙f 3 0 0 0 驾驶室进行了视野分析、上肢活动分析、操作空间分析、操作手柄和按钮的操作性分析、 坐姿分析、出入驾驶室方便性与安全性分析，根据人机分析结论对德龙f 3 0 0 0 驾驶室内 人机界面的合理性做出了评价。 关键词：重型汽车；人机界面；人机分析；c a t i a ；室内空间 论文类型：应用研究 英文摘要 s u b j e c t ：h e a v y - d u t y1 1 r u c kc a b o ne r g o n o m i c sa n a l y s i s s p e c i a u t y ： m e c h a l l i c a ie n g i n e e r i n g n a m e ：w a n gs h o u y u ( s i g n a t u r e ) 1 n s t r u c t o r ： q uw e n t a o ( s i g n a t u r e ) j it b n g m e n g ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fm a n m a c h i n ee n g i n e e r i n gt h e o r yh a sn o ta l r e a d yb e e np e r f e c t e dw h e n d e s i g n i n gt h ec a bo fd o m e s t i ch e a v y - d u t yv e h i c l e ， a n db e c a u s eo ft h em a n - m a c h i n e e n g i n e e r i n gd e s i g nd e f e c t so fh e a v y d u t yv e h i c l e ，m o s to ft h ed r i v e r ss u f f e r 仔o mb o d y d i s e a s e so nn e c k ，s h o u l d e ra n dw a i s t ，a 1 1 dt h e ya u r eu 1 1 l l e a l t h m lt od r i v e r s h e a l t h t h e 抓i c l e ， a c c o r d i n gt o t h eo p e r a t i n ga n dd r i v i n gc h a r a c t e r i s t i c so fh e a v y - d u t yv e h i c l e sa n dt h e c o n c e m e dn a t i o n a ls t a n d a r d so fn l a n m a c h i n ee n g i l l e e r i n g ，u s e st h er e l a t e dl ( 1 1 0 w l e d g eo f m a n m a c h i n ee n g i n e e r i n gt om a k em a t u r ec a bd e s i g nr a t i o n a l ea p p l i e dt oh e a v y d u t yv e h i c l e ， a n dt a k e ss a f e t mh e a l t h ，c o m f o na n de 衢c i e n c ya st e c l l l l i c a ln o n l l st oc a n yo u tm a n m a c h i n e e n g i i l e e r i i l ga n a l y s i sf o rd e l o n gf 30 0 0c a b t h et e x t ，t a k e sd e l o n gf 30 0 0p r e s e n tc o n d i t i o n sf o rr e s e a r c ho b j e c ta n db r i e n y i n t r o d u c e sv e h i c l eb o d ys t m c t u r ea n dc a b 如n c t i o n s ；b ym e a n so fq u e s t i o l l l l a i r e sa n dt h e c u s t o m e re v a l u a t i o nf o rt h ef o u r 如n d a m e n t a le l e m e m si n n u e n c i i l gt h ec a bm a n m a c h m e p e r f o m a n c e ，t h es h o n a g e so fm a n m a c h i i l ee n g i n e e r i l l ge x i s t e dn o wi nc a ba r ec o n c l u d e d ， a 1 1 dh e r e i n ，t h ef o u re l e m e m sc o n s i s to f o p e r a b i l i t y ，m a n - m a c h i n ei m e r a c t i o n ，v i s u a lf i e l da n d c a bi n t e m a le n v i r o l l i n e n t i nc o n c l u s i o n ，m a n - m a c h m ee n g i n e e r i i l gt h e o r yi sa p p l i e du n d e rt h ep l a t f o mo fc a t i a ， a n db a s e do nt h em a n m a c h i n ed a t ao fs e l e c t e dg r o u p so fh u m a n ，v i e wa n a l y s i s ，u p p e r1 i m b m o t i o na n a l y s i s ，o p e r a t i n gs p a c ea n a l y s i s ，t h em a n i p u l a t o 叫a n a l y s i so fh a n d l e sa n db u t t o n s ， s e a t e da n a l y s i sa n dt h ec o n v e n i e n c ea n ds a f e t ya n a l y s i so fg e t t i n go na n do f ft h ec a ba r e c a r r i e do u tf o rd e l o n gf 30 0 0c a b f r o ma n a l y z i n gt h er e s u ho b t a i n e d ，t h eo p e r a t i n gf e a s i b i l i t y o fm a n m a c h m ei n t e r f a c eo fd e l o n gf 3 0 0 0c a bi se v a l u a t e d k e y w o r d s ：h e a v y - d u t yt i u c k ， m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ， h u m a n c o m p u t e ra n a l y s i s ， c a t i a ，i n t e r i o rs p a c e t h e s i s ：a p p u c a t i o nr e s e a r c h 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究的必要性 重型汽车，简称重卡，指一种载重吨位在1 4 吨以上，主要为载运货物而设计和装备 的商用车辆，具体适用在基础建设、港口码头、区域开发等经济建设和商业活动中，发 挥物流运输、资源调配等功能的运输工具，分为长头载货汽车、平头载货汽车，半长头 载货汽车。 重卡是中国汽车工业的重要组成部分，在世界汽车行业中也占据着越来越重要的位 置。重卡多用于干线公路的长途运输，职业卡车司机每天大部分时问都在汽车驾驶室中 度过，由于卡车在人机工效设计方面的不足，职业卡车司机大都患有程度不等的颈部、 肩部以及腰部的疾患，严重影响了司机的身体健康。重卡在人机工效设计方面的不足同 时也对驾驶的安全性造成了影响，如方向盘、排挡器、离合、刹车、油门等操控装置在 布置时没有充分考虑人机工效问题，布置不够合理，在驾驶员长时间保持某种驾驶姿势 时，会造成局部肌肉疲劳，从而使司机在操控方向盘、刹车等装置时的操控力减小、反 应时间延长。如仪表台布局、指针和灯光的颜色设计不够和理，会加速驾驶员的视觉疲 劳，影响驾驶员对汽车速度、水温、气压等车辆状况信息的判读，从而影响驾驶的安全 性。 据国内某公司调研，目前我国卡车大约保有1 0 0 0 多万辆，成为世界上卡车保有量和 生产量最大的国家，按照每台卡车配备一至两名司机计算，至少有1 0 0 0 万名卡车司机， 卡车司机是一个庞大的群体。中国的卡车司机一年中有8 0 以上的时间行驶在路上；一 半以上的人患有颈椎病和胃病；他们当中只有5 0 左右的人购买了保险；4 1 4 重卡用 户单次驾驶超过9 个小时，他们的工作和生存状态较差。据世界卫生组织事故调查显示， 由驾驶疲劳造成的事故占事故总数的2 0 ，占特大交通事故的2 0 以上，而随着市场经 济体制的推进，由疲劳驾驶产生的事故概率丁f 在逐步上升 2 】，而产生疲劳的原因之一即 是驾驶室的人机界面不合理。 从近年来国内外重型汽车发展趋势来看，制造商们对产品的整机造型和操作舒适性 给予了极大的关注，越来越多地应用了人机工程学原理，更加注重人的地位，为工作主 体( 操作者) 创造了更为高效和舒适的工作环境。虽然为此付出的代价是较大的，但换来 的是操作者工作环境的改进，及整机使用价值和生产率的提高所带来的巨大收益，乃至 于减少交通事故带来的损失。因此，人机工程学原理的应用是汽车产业的一个发展趋势， 具有重要的地位和研究价值。 为此，本论文在德龙f 3 0 0 0 驾驶室人机评价的基础上，对驾驶室人机设计的合理性 西安石油人学硕十学位论文 以及舒适程度做出了一定的研究成果。该成果可为未来设计同类产品的人机工程学方面 提供指导和参考，具有一定的借鉴意义。 1 2 重型汽车驾驶室人机工程学分析国内外研究现状 1 2 1 重型汽车国内外发展现状 ( 1 ) 欧耖| 1 重卡品牌：b e n z ，v o l v o ，r e n a u 【工s c a n i a ，m a n ，i v e c o ，d a f 。 现状：欧洲重卡代表了当今世界最先进的技术，追求舒适性和安全性，模块化和系 列化设计程度高。欧洲重卡造型发展比较完善，不同品牌拥有各自的设计风格，特征鲜 明，理念清晰。欧洲重卡以平头为主，这也是现在国际上比较流行的造型样式，整体风 格简洁、大气、力量感强，局部细节变化丰富、细腻、立体，形体大、平、方、正、稳 重，遵循动力学原理，棱角过渡圆滑、动感流畅，线条简洁明快，流畅、挺拔，造型的 品牌特征鲜明。 ( 2 ) 北美重卡品牌：f r e i g h t l i n e r ，k e n w o n h ，p e t e r b i l t ，i m e m a t i o n a l ，m a c k ，s t e r l i l l g 。 现状：以美国为主的北美洲，用户喜欢长头车的原因，一是美国车辆长度标准允许， 二是良好的公路状况，三是更大的碰撞缓冲空间以及对驾乘舒适的追求。“在平坦而宽敞 的高速公路上，司机打开自动巡航系统，不用自己驾驶，只用休闲地坐在驾驶位上欣赏 路边的风景，甚至可以把脚放到方向盘上，只要他们觉着舒服。”这是描述美国司机在高 速公路上驾驶的情况，给人一种舒适、咱由的感觉。由于长头车的发动机移出了驾驶室， 使驾驶者获得更大的活动空间，当发生碰撞时，长头车大1 3 米至1 5 米的吸能溃缩区优 于平头车，这些正好迎合了驾乘者对舒适、安全的要求。 ( 3 ) 日、韩重卡品牌：日本( i s u z u ，m i t s u b i s h i ，h i n d ，u d ) ，韩国( h y u n d a i ) 。 相对欧洲和北美的卡车品牌，亚洲的重卡显得谦和了许多，日本和韩国是亚洲重卡 的主要设计制造国，造型上多了些细腻和柔和，稳重内敛，经济实用。日本和韩国的重 型卡车设计多是向欧洲学习来的，受路况和国家车辆法规的影响，以平头车为主，整体 造型特点与欧洲相似。 ( 4 ) 中国重型卡车品牌：一汽( f a w ) ，东风( d f m c ) ，中国重汽，重庆红岩，陕西 重汽，北汽福田，北方奔驰，南京春兰，上海汇众，江淮汽车等。 现状：中国载货车的设计研发较之国外晚了五十年，目前汽车企业都以追求直接经 济效益为目的j 相对于国外，研发投入处于初级阶段，主要以生产制造为主，整体设计 侧重经济性、实用性，安全、美观、舒适等方面。并逐渐向欧洲品牌靠拢，技术研发的 方式为“技术引进”一“自我丌发”一“联合设计”，相对来说缺乏自身的产品特点和品牌文 化，但从整个发展趋势来看具有良好的发展前景，从单纯的购买、使用国外技术，到结 合自身技术能力来转化吸收，最终实现技术本土化，形成自主的研发能力【3 】。 第一章绪论 1 2 2 车辆人机工程学发展现状 ( 1 ) 车辆人机工程学 车辆人机工程学是人机工程学在地面机动车辆这一特定领域的应用分支，它以人( 包 括驾驶员和车内乘员) 一车一环境系统为对象，以改善驾驶员的劳动条件和车内乘员的舒 适性为核心，以人的安全、健康、舒适、高效为目标，使整个系统的总体性能达到最优。 它主要研究人一车一环境之问的关系。经过多年的发展，汽车人机工程学已经建立了一 些比较成熟的理论和方法，为汽车设计提供了一定的理论、方法、规范和标准，成为现 代汽车设计不可缺少的理论依据，并不断得到应用【4 】。 ( 2 ) 国外发展现状 国外车辆人机工程学的研究始于2 0 世纪6 0 年代，随着车速的不断提高以及高速公 路的发展，这一阶段的研究重点主要集中于车内乘员的安全防护问题。该阶段人机分析 使用的人体模型是二维的人体模板，它们通常是塑料板材，按常用制图比例制成各关节 可以活动的样板。德国的鼬e l e rp u p p e 人体模板是较早应用于汽车设计领域的人体模板。 美国f o r d 公司的s p g e o 倚e y 等人也开发了二维的人体模板，1 9 6 2 年，该模板被美国汽 车工程师协会( s a e ) 收录到j 8 2 6 标准中，时至今日，s a ej 8 2 6 人体模板仍在车身布置中 得到广泛应用。 到2 0 世纪8 0 年代，德国各大汽车制造公司共同开发了作为c a d 工具使用的 r a m s i s 三维计算机人体模型系统，其全称为“用来模拟乘员实际状况的计算机辅助人体 数学模型”，r a m s i s 系统是功能较全面的人机工程软件，其功能有：真实的人体模型， 人体平均生长模型，姿态模拟，干涉检查，执行任务的动画效果，舒适性分析，视野分 析，曲面模型，与c a d 系统集成化，三维测量系统，数据库系统。该系统可以与多种 c a d 系统关联，也可以单独使用。通过它的分析功能可以方便直观地了解到设计的车辆 在人机工程学方面的欠缺和不足。目前为止，该系统己经广泛地运用于不同汽车厂家的 新产品设计中。 1 9 9 2 年，宾夕法尼亚大学研发的j a c k 人体模型投入使用，j a c k 人体模型包含8 8 个关节点，1 7 个段，含有关节柔韧性、疲劳程度、视力限制等医学参数。在汽车人机工 程学设计领域，j a c k 系统提供了o p t ( o c c u p a n tp a c k a g i l l gt o o l l ( i t ) 模块，该系统已经被 诸多汽车生产厂家和车辆研究机构所应用，是目前为止最成功的工效评估系统。 其他较为知名的三维人体模型还包括：法国n e r t s l e s c o 公司开发的m a n3 d 系 统以及英国d i v i s i o n 公司开发的d v m a n i l ( i n 系统等。 综上所述，这些模型主要是对人体的外形和运动进行仿真，而在人的感知活动仿真 建模方面，尚缺乏具体的研究和应用。在汽车设计领域，这些模型主要用于对汽车车身 进行辅助分析以及人一车界面、工作空间、工作姿态、操纵范围和视觉设计方面的研究。 随着k b e ( k m o w l e d g eb a s e de n g i n e e “n g ) 技术的出现，在国外的汽车设计领域，虚拟 西安枢油人学硕士学位论文 人体模型已经成为有效的辅助设计手段，虚拟人体模型可在虚拟环境中模拟人的操作而 进行人机工程学评价，也可以进行可视域评价、可达域评价等。在某些大型的c a d c a e 软件中已经集成了人机工程设计模块，如c a t i a 中就带有e r g o n o m i c s 的设计模块，具 有美国、欧洲、f 1 本人的体形数据，设计时可以直接调用，并且可以根据需要构成不同 姿态。而u g 中则带有专门的汽车自动化设计模块，包含h 点设计、z d 人体模型、座 椅、眼椭球、仪表板可见度等方面的设计【5 。 ( 3 ) 国内发展现状 尽管我国的车辆人机工程学研究起步较晚，但通过近一代人的努力，在部分领域已 有了较大的进展。因为我国人体尺寸与欧美有着较大的差异，所以在开始的时候应用国 外现有研究成果和设计工具，对国外设计工具及设计方法进行了改进，探索出了符合我 国国民身体尺寸的汽车车身内部布置理论和方法。2 0 世纪9 0 年代末期，我国的大型汽 车集团研发机构和高校已经使用三维软件代替原有的二维软件进行驾驶室设计，如早期 的e u c l i d ，后期的c a t i a ，u g 等，并先后完成在多个c a d 平台上的开发工作。 在车身人机工程研究方面，我国开展利用三维c a d 人体模型进行辅助人机工程设 计和评价的时间较短，汽车企业主要沿用手工方式使用二维人体模板进行设计。而人机 工程评价多以作图校核或者实物模型的方式进行。两者之间配合时有脱节，还不能满足 缩短开发周期，降低成本，提高竞争力的要求。 吉林大学的课题组自上世纪9 0 年代初即进行c a d 辅助汽车人机工程设计研究工 作，曾先后在e u c l i d ，i d e a sm a s t e rs e r i e s ，a u t o c a d ，u gc a t i a 等平台上研发了不 同版本的汽车人机设计软件，填补了国内空白。 1 2 3 汽车驾驶室人机分析国内外研究现状 ( 1 ) 国外研究现状 驾驶室人机界面的设计在卡车行车安全中起着重要的地位，使得各个国家都投入了 大量的人力、物力来研究它。其中，美国、同本和欧洲在汽车人机界面设计方面的研究 走在了世界的前列 6 】。 2 1 世纪初期的国外重卡的发展是因为基于令人佩服的产品品种，强化的服务方式以 及整车完美的装备，充分利用了世界贸易以及欧洲贸易流不断增长的销售机会，此外， 它还利用了产品多样化的机会。降低排放和油耗的新技术使这一工业在货物运输领域产 生生态量变。使产品能满足2 0 0 6 年强制性欧i v 排放等级，甚至可满足2 0 0 8 ，2 0 0 9 年启 动的欧v 等级。商用车的安全性使得欧洲重卡具有很高的优先权，在德国，自1 9 7 0 年 以来事故率根据所达到的公里数已降低7 0 。 2 1 世纪中期的欧美卡车的成功源自于对“安全性”的重视：翻车警告系统，自动抱死 和e b s 电子控制系统，夜视与睡眠替报系统，电子控制悬架系统等极大的降低了事故发 生率。以2 0 0 4 年的雷诺m a g n u m 为例，驾驶室高达1 8 7 米，内部宽度为2 3 6 米，深度 第一章绪论 为2 0 2 米。驾驶区域由空气悬挂座椅，可调转向盘，中央显示屏及冷饮瓶存放箱组成； 放松区域有回转座椅和歇脚垫：进餐区域有折叠桌，两个座椅和一个选装的冰箱；休息 区域有折叠式扶手椅可转换的床铺，分开式窗帘和折叠式上铺。保证了人在行车时的舒 适性安全性。而现在则着重于开展人机界面的研究，在同本，其研究领域涉及医学、生 理学、心理学等学科，并且充分地将人机界面研究与这些学科结合起来，从各个不同角 度来研究。美国的人机界面研究主要着眼于如何快速获得车辆行驶时的有关信息，所以 他们十分注意驾驶员对仪表板上所示信息的易读性，以及转向盘对驾驶员造成的相对于 仪表板的视野障碍。显示仪表的易读性则是由判断时间，误读率与显示方式的关系决定 的。欧洲的人机界面研究则更为直接。其研究重点是车辆静止时，驾驶员在正常驾驶位 置时因为车身结构因素造成的视野控制障碍。他们的研究目的则是直接为设计、生产服 务的。 ( 2 ) 国内研究现状 由于我国汽车行业本身的发展相对滞后，国内对汽车人机工程学的研究也起步较晚。 直到上世纪9 0 年代末，我国汽车企业仍主要沿用手工方式，使用二维人体模板进行人机 工程设计，而人机工程评价则多以图纸或者实物模型的方式进行。伴随我国汽车工业的 迅速发展，近年来国内对汽车人机工程学的研究也是层出不穷。 清华大学进行了汽车人机工程学综合实验平台的设计研究。提出汽车人机工程学实 验平台应集成真实和虚拟两类实验，并划分了5 个子平台，即： 1 ) 我国及欧美的典型标准人体二维模板、三维模型； 。 2 ) 人体参数及汽车人机系统特性参数的测量仪器； 3 ) 汽车人机系统性能实验装置及多媒体环境； 4 ) 汽车人机信息界面设计分析软硬件系统； 5 ) 汽车车身系统设计的人机工程学分析与检验的计算机软件系统和数字人体模型 等。 武汉理工大学进行了面向汽车人机工程设计的人体建模系统及其关键技术的研究， 建立了s i n o m a n 人体建模系统，研究了人体模型的表示方法、人体骨骼和肌肉系统的 简化方法、人体模型姿态变化的图形学表达方法等。其研究成果将工程数据分析技术、 计算机建模技术、数据库技术等结合起来，对于解决我国汽车人机工程设计中面临的诸 多问题有较大意义。 浙江大学进行了基于驾驶姿势预测模型的人机工程设计技术研究，通过建立驾驶仿 真平台研究了驾驶舱内踏板、方向盘、座椅和人体参数对驾驶姿态的影响，探讨了影响 驾驶姿势的因素及其作用机理，建立了基于设计元素的驾驶姿态静态预测模型，并研发 了基于静态和动态姿势预测模型的人机工程系统，并最终在c a x a 平台上实现了一个计 算机辅助人机工程研究系统，为汽车人性化设计提供了较为有效的辅助工具。 不仅高校的驾驶室人机分析飞速发展，车辆科研机构和汽车生产厂家也在汽车驾驶 气 两安石油大学硕士学位论文 室人机工程学领域进行了深入的研究和探讨。黄金陵和宋宝玉将计算机辅助设计技术应 用于驾驶室总布置领域；杨德一等利用u g 建立了可用于客车设计和校核的三维人体模 型；任金东等研究了基于c a t i a 平台的汽车视野没计问题，但是该系统对后视野的校 核只考虑了后视镜为球面的情况，未考虑镜面曲率变化的情况；刘军，秦洪武研究了计 算机辅助车辆人机工程设计的c a v e 系统，该系统含有三个百分位的人体模型，将人体 模型简化为三维几何表示体；庞兴华等提出了“汽车c a d 中的动态h 点模型”的建立方 法，并将其用于雨刮刮扫率和立柱盲区等问题的研究；李增勇、王成焘从人机工程学角 度综合分析了造成驾驶疲劳的主要因素，并提出了防止和缓解驾驶疲劳的一些措施。 总而言之，国内汽车人机工程学研究是在近几年才逐渐得以重视。投入和研发水平 仍落后于国外。相信随着我国汽车工业的蓬勃发展，我国汽车人机工程学的研究必将取 得飞速进步【5 】。 1 3 本文研究内容及创新点 1 3 1 研究内容 ( 1 ) 视野分析：操作员坐姿下直视前方视野、坐姿下低头对操作台仪表视野。 ( 2 ) 可操作范围分析：操作员坐姿下左手可操作范围、右手可操作范围、双手可操 作范围。 ( 3 ) 操作台各操作杆和按钮操作性分析：操作员坐姿下对各手柄的中位和极限位的 可操作性、对各按钮的操作性。 ( 4 ) 坐姿分析：对现有座椅和坐高进行分析，通过人机模型模拟真人坐姿，评价其 舒适度。 ( 5 ) 驾驶员出入方便性和安全性分析：对现有上车踏板和扶手根据人机工程学理论 进行分析。 1 3 2创新点 ( 1 ) 创建了基于二维图纸和实测数据的p r o e 德龙f 3 0 0 0 驾驶室三维模型。 ( 2 ) 通过较为深刻的用户评价分析为德龙f 3 0 0 0 驾驶室人机分析指出了方向。 ( 3 ) 将人机工程分析与陕汽重型汽车驾驶室相结合。为德龙f 3 0 0 0 驾驶室人机工 程学分析奠定了基础，为今后陕汽驾驶室设计及改进提供了经验和方法。 ( 4 ) 对陕汽重型汽车驾驶室的人机性能作出评价，并提出优化建议。为德龙f 3 0 0 0 驾驶室的人机优化指明了方向和方法。 第二章汽车驾驶室人机分析理论基础 第二章汽车驾驶室人机分析理论基础 人机工程学，又称作人体工程学、人类工效学、人问工学、人的因素等等，是一门 以生理学、心理学、人体解剖学、人体测量学等学科为基础，研究如何使人一机一环境 系统的设计符合人的身体结构和生理心理特点，以实现人、机、环境之间的最佳匹配， 使处于不同状态、不同条件下的人能安全、有效、健康、舒适地进行工作和生活的科学。 车辆人机工程学则是人机工程学在地面机动车辆这一特定领域的应用分支，它以人f 包括 驾驶员和车内乘员) 一车一环境系统为对象。以改善驾驶员的劳动条件和车内乘员的舒适 性为核心，以人的安全、健康、舒适、高效为目标，使整个系统的总体性能达到最优 7 1 。 人机工程学研究的主要内容归纳起来可以分为“人的因素”研究，“机的因素”研究， “环境因素”研究以及“综合因素”研究等四个方面。由图2 1 我们不难看出，人机界面至 少有三种，即显示操纵系统人机界面、系统人机界面和环境系统人机界面。我们对人机 界面的研究，目的是使人与机器的信息传递达到最佳，使人机系统的综合效能达到最高 7 8 】 图2 1 人机界面【8 1 随着人们对工作、生活、休息质量的要求不断提高，促使人机工程学的研究和应用 范围不断扩大，越来越受到各行各业的普遍重视。车辆人机工程学的研究及其实际应用， 对于改善驾驶员的劳动条件和车内乘员的舒适性、保护驾驶员和车内乘员的身心健康、 确保驾驶员和车内乘员的生命安全、提高车辆的宜人性和运行效率，都有明显的促进作 用。其研究成果最终落实到新产品的研究丌发上，必将有助于推出适应市场需求的新车 型，有利于增强新产品的市场竞争能力( 特别是在国际市场上的竞争能力) ，从而产生很 大的社会效益和经济效益。 西安石油人学硕士学位论文 2 1 仪表台面及视野分析 2 1 1 眼椭圆的定义 眼椭圆是由美国汽车工程师协会指定完成标准s a e j 9 4 1 ，国际标准组织引用该标准 制定了国际标准i s o4 5 1 3 。驾驶员眼椭圆是指不同身材的驾驶员将座椅调整到适宜位置， 并以正常的驾驶姿势入座后，他们的眼睛位置在车身坐标系中的统计分布图形( 等概率密 度线) 。 s a e ( 美国汽车工程师协会标准) 对汽车a ，b 类型的划分如下： a 类车是指座椅参考点( s g r p ) 一h 点到踵点的垂直距离( h 3 0 ) 的范围是1 2 7 4 0 5 m m ，转向盘的直径( w 9 ) 小于4 5 0 m m ，靠背角( l 4 0 ) 为5 4 0 。，通常包括轿车、旅行车、 轿车变形体。 b 类车是指座椅参考点( s g i 心) 一h 点距踵点的垂直距离( h 3 0 ) 为4 0 5 5 3 0 m m ，转向 盘直径( w 9 ) 为4 5 0 5 6 0 m m ，座椅靠背角( l 4 0 ) 为1 1 1 8 。，通常包括重型卡车、中型载 货汽车以及一些公共汽车等【6 】【9 1 。 ( 1 ) 眼椭圆的包含比 眼椭圆的包含比是指在某个车身坐标平面内，驾驶员眼点出现在椭圆之内的概率。 也就是说，对于一定总数的抽样总体( 眼点) 来说，位于椭圆之内的眼点数目与总数的比 值。 ( 2 ) 眼椭圆的视切比 由目标点向椭圆作一切线( 视线) ，切线将整个平面分为两个部分，即含有眼椭圆的 区域和不包含眼椭圆的区域，眼椭圆的视切比被定义为驾驶员眼点出现在含有椭圆区域 的概率。也就是说，对于一定总数的抽样总体( 眼点) 来说，位于含有椭圆区域眼点数目 与总数的比值。由此可知，用视切比来表示眼椭圆百分位值是合理的。如果某椭圆的视 切比为9 5 ，我们就称该椭圆为第9 5 百分位眼椭圆【6 。如图2 2 。 在国际标准i s 0 4 5 1 3 1 9 7 8 道路车辆视野性能关于驾驶员眼睛位置眼椭圆确定方法 中，对应于一定范围内的座椅水平调整行程( l 2 3 ) ，提供了各种百分比的驾驶员眼睛分布 位置。为我们确定眼椭圆提供了依据。 第二章汽车驾驶室人机分析理论基础 z ， 图2 2 第9 5 百分位眼椭圆 2 1 2 眼椭圆的意义及模板 ( 1 ) 眼椭圆的意义 驾驶员椭圆的确定为研究卡车视野性能提供了科学的视野原点基准，卡车行驶时 8 0 以上的交通信息是通过驾驶员的视觉得到的，驾驶员的视觉通道是最重要的信息通 道。由于驾驶员眼椭圆代表了一定群体的驾驶员在正常驾驶位置时眼睛在车身坐标系内 的分布，因此，在车身设计中可以用眼椭圆来衡量驾驶员视野性的好坏。 ( 2 ) 眼椭圆模板 眼椭圆模板的尺寸与瓦分位和驾驶员座椅水平调节行程( l 2 3 ) 有关，其相性如表2 1 。 表2 1 眼椭圆百分位与座椅水平调节行程关系 9 5 百分位9 9 百分位 l 2 3l o o 1 3 3 m m 1 3 3 m m1 0 0 1 3 3 m m 1 3 3 m m 长轴( x ) 1 7 3 81 9 8 92 4 2 12 6 8 2 短轴( y )1 0 5 01 0 4 91 4 9 01 4 8 9 竖轴( z ) 8 6 o8 6 o1 2 2 01 2 2 o 2 1 3 仪表台面 ( 1 ) 仪表板的空间布局 为了减轻人的疲劳和保证高工作效率，仪表板的空间位置应使操作者不必移动头部 和眼睛，更不需移动身体位置就能看清全部仪表。 仪表板离人眼距离最好是7 1 0 m m 左右，其高度最好与眼睛平齐，下边缘的视线与 水平视线的夹角不大于4 5 。，板面上边缘与水平视线的夹角不大于1 0 0 。仪表板应与操作 者的视线成直角，至少不应小于6 0 。，当人在正常姿势下工作时，头部一般略自然前倾， 所以布置仪表板时应使面板相应倾斜，仪表板与地面的夹角为6 0 。一7 5 。，如图2 3 所示。 9 西安石油人学硕士学位论文 i l 图2 3 仪表板空间位置 一般的仪表板都应布置在操作者的正前方。当仪表板很大时可采用弯折形板面或者 弧形板面，如图2 4 ，操作者的检视角一般不能大于1 2 0 ，边缘视线与仪表板的夹角不应 小于4 5 0 且仪表板的位置不能处在驾驶员的j 下常视野之内。 图2 4 弧形和弯折形仪表板 ( 2 ) 仪表板上的仪表排列及认读范围 根据视觉运动规律，仪表版面一般应呈左右方向为长边的长方形形状，版面上的仪 表排列顺序最好与它们的认读顺序一致，相互联系越多的仪表应当布置的越靠近，仪表 的排列顺序还应当考虑到彼此间的逻辑关系。 最主要，最常用的仪表应尽可能安排在视野中心3 。范围内，这是人的最优视区。一 般性仪表与允许安装在2 0 0 一4 0 0 视野范围内4 0 0 一6 0 。视野范围只允许安排次要仪表。 试验指出，当观察距离为8 0 0 m m 时，如果眼球不转动，那么水平视野2 0 0 范围为最 优认读范围，其正确认读时间大约为1s 。当水平视野大于2 4 。时，正确认读时间急剧增 加，所以2 4 。是最优认读范围的极限，如图2 5 所示。认读2 4 。范围以外的仪表时，需要 先运动头部和眼球去寻找目标，然后才能认清仪表读数，对于整个仪表板面内的仪表， 平均正确认读时间不超过6 s 。 第二章汽车驾驶室人机分析理论基础 2 2 坐姿分析 8 攀 譬哇 罄 墨 乱 j i l 1 2 j 一l 与捷辱率心蠹耩虞螗角艘y 。； 图2 5 仪表板有效认读范围 a 仪表板面尺寸范围b 正确认读时间曲线 如图2 6 所示，h 点是指二维人体样板上的躯干线与大腿中心线的交点，实际h 点 是指当人体三维模型放置到座椅上时，左右两h 点的中点：座椅参考点( s g r p ) 是指座 椅上的一个设计参考点，即生产制造厂商规定的设计基准点。其意义为9 5 百分位的人体 模型安置到座椅上时，s 点与h 点重合，设计h 点是驾驶室布置设计的基准点，采用前 后两点h 点的设计方法，最前设计h 点表示第5 百分位的女子模型在最前位置时的胯点， 最后设计h 点表示第9 5 百分位的男子模型在最后位置时的胯点。 ， 图2 6h 点示意图 驾驶室布置设计中所提出的性能要求都与h 点紧密相关，h 点在驾驶室布置中占有 极其重要的地位，h 点的选耿直接影响驾驶室的总体布局性能。 坐姿是人体比较自然的姿势，它有很多优点，当站立时，人体的足跺、膝部、臀、 西安石油大学硕士学位论文 和脊椎等关节部位受到静肌力作用，以维持直立状态，而坐着时，可免除这些肌力，减 少人体能耗，消除疲劳。坐姿比站立时更利于血液循环，站立时，血液和体液会向下肢 积蓄；而坐着时，肌肉组织松驰，使腿部血管内血液静压降低，血液流回心脏的阻力减 小。坐姿还有利于保持身体的稳定，这对精细作业更合适。在脚操作场合，坐姿保持身 体处在稳定的姿势，有利于作业。正因为坐姿有这些优点，坐姿是最常用的工作姿势。 在卡车驾驶室里驾驶员也是采用坐姿。汽车驾驶员，特别是卡车驾驶员，由于工作负荷 大，工作时间长，容易导致疲劳，而且车辆在行驶过程中的加速、减速、转弯以及路面 的颠簸都对驾驶室的振动很大，所以卡车驾驶室座椅的设计就提出了相当高的要求。 理想座椅设计的要求有以下几个方面【9 】： ( 1 ) 静态特性座椅的尺度和形状必须参照人体测量学资料确定，人体坐姿时各关节 舒适角度如图2 7 所示，其中合适的坐姿要求：大腿平放，双足着地，上臂不负担身体 的重量，乘坐稳定。根据体分布不均衡原则，身体的主要重量应由臂部、坐骨结节承担， 座椅前缘处大腿与椅子之间压力应尽量减小。坐者应能方便地变换姿势，但必须防止滑 脱。 图2 7 人体坐姿各关节舒适角度 ( 2 ) 视野良好。 ( 3 ) 能动态高度尺寸和位置，以保证视野变化的需要和操作方便，但是应尽可能少 的需要调节尺寸和位置，座椅能对坐者的动作与姿势做出自动应答。 ( 4 ) 良好的动态特性，以缓和与衰减由地面或地板传来的振动和冲击，保证作者长 时间工作不疲劳。 ( 5 ) 有足够的结构强度、刚度和寿命，能保证人的安全。 ( 6 ) 结构紧凑，外观与色彩美观、大方，并尽可能减轻质量，降低成本，有好的结 构工艺性。 影响座椅设计的因素：对于卡车的驾驶座椅设计来说涉及到很多因素，其中最主要 1 2 第二章汽车驾驶窒人机分析理论基础 的因素如下： 人体尺寸，座椅类别，坐姿生理学，坐姿生物力学，操作者视野，振动。 ( 1 ) 人体尺寸： 为使座椅设计能符合人的生理特点，让人在使用时处于舒适的状态，必须设计巾充 分考虑人体的尺寸，影响座椅设计的人体尺寸如下( 如图2 8 ) ： i t 谴麓譬f 冀懿 图2 8 人体坐姿尺寸 1 ) e ( 3 1 ) 坐高 2 ) e ( 3 3 ) 坐姿眼高 3 ) e ( 3 7 ) 坐姿膝高 4 ) e ( 3 5 ) 坐姿肘高 5 ) e ( 3 8 ) 小腿加足高 6 ) e ( 3 6 ) 坐姿大腿厚 7 ) e ( 3 1 0 ) 臀膝距 8 ) e ( 3 9 ) 坐深( 臀部至小腿距离) 9 ) e ( 4 7 ) 坐姿两肘问宽 l o ) e ( 4 6 ) 坐姿臀宽( 臀部宽度) ( 2 ) 座椅类别 当考虑坐姿动机时，座椅基本分三类：休息为目的的安乐椅、作业场所的工作座椅和 多用椅。根据坐姿动机的不同，座椅设计也有很大的不同，本课题研究的座椅属于工座 椅，设计中应注意如下原则：稳定性是主要因素，腰部应有适当的支持，量要均匀分布于 坐垫上，同时考虑人体活动度，操作灵活性与方便等。 ( 3 ) 坐姿生理学 坐姿生理学对座椅设计的影响可以从以下三个方面进行阐述：人体脊柱结、腰弧曲线 西安石油大学硕士学位论文 和腰椎正常形态。 图2 参人体脊柱结构图图2 1 0 不同姿态下的腰曲弧线 1 ) 脊柱结构 人坐着时，身体主要由脊柱、骨盆、腿和脚支承，如图2 9 所示，人体脊柱由2 3 块 短圆柱状椎骨组成，包括7 块颈椎、1 2 块胸椎、5 块腰椎和下方5 块骸骨及4 块尾骨。 椎骨间由椎问骨和韧带连结，腰椎、骸骨和椎间盘及软组织承受坐姿时上身大部分负荷， 还要实现弯腰、扭转等动作，对设计而言，这两部分最重要。 2 ) 腰曲弧线 图2 1 0 为各种不同姿势下腰椎曲度，欲使坐姿能形成几乎正常的脊椎形态，躯干与 大腿之间必须大于9 0 度的角度，且在腰椎部有所支承。 3 ) 腰椎后突和前突 正常的腰弧曲线是微微前突，为使腰弧曲线变形最小，座椅应能提供所谓两点支承， 上面支承点是为肩脚骨提供凭靠，称为肩靠，位置相当于第5 6 节胸椎间高度，下支承 点是为腰曲部分提供凭靠，称为腰靠，位置相当于4 5 节腰椎问高度i 综上所述，良好的腰靠设计和保证腰弧曲线的正常形状是获得舒适坐姿的关键。正 常的腰弧曲线是微微前突。为使坐姿下的腰弧曲线变形最小，座椅应在腰椎部提供所谓 两点支承。由腰靠，和肩靠一起组成座椅的靠背。无腰靠或腰靠不明显将会使正常的腰 椎呈图2 一l l 中的后突形状。而腰靠过分凸出将使腰椎呈图2 1 2 中的前突形状。腰椎后 1 4 第二章汽车驾驶室人机分析理论基础 突和过分前突都是非正常状态，合理的腰靠应该是使腰弧曲线处于正常的生理曲线。 图2 1 l 腰椎后凸前曲图2 1 2 体压分布曲线 4 ) 坐姿生理力学 座椅的造型从坐姿生物力学的角度考虑，就是保证肢体免受异常力作用。从人体解 剖学可知，人体坐骨粗壮，与周围的肌肉相比，能承受更大的压力。而大腿底部有大量 血管和神经系统，压力过大就会影响血液循环和神经传导而感到不适。所以坐垫上的压 力应按照臀部不同部位承受不同压力的原则来设计，即坐骨处压力最大，向四周逐渐减 少，至大腿部位处压力降低到最低值，这是坐垫设计的压力不均匀原则。图2 7 为较为 理想的座垫体压分布曲线，图中各条曲线为等压力线，所标数字的压力单位为1 0 2 p a 。 研究结果指出，坐骨处压力值以8 1 5 l ( p a 为宜，在接触边界处压力降至2 8 l 【p a 为宜。 2 3 驾驶室空间设计及显示控制相合性分析 重卡驾驶室内需频繁使用的操纵装置有方向盘。换挡杆，脚踏板等。 2 3 1 方向盘 方向盘是汽车驾驶过程中，使用时间最长的操纵装置，因此它的设计的优劣对驾驶 员驾驶舒适性，操纵准确性的影响非常大。其设计参数可以归结为，方向盘角度，方向 盘位置和大小等。 ( 1 ) 方向盘角度。汽车驾驶员在对方向盘的操纵中，主要通过单手或双手抓握方向 盘并对其施加一定的力量，产生较大的扭矩，从而达到对方向盘的控制。因此，在方向 盘的设计中，应保证驾驶员能够发出较大的扭矩。根据人机工程学原理，方向盘倾斜角 度对驾驶员施加到方向盘上的力有很大影响，方向盘的安装角度越平缓，驾驶员可以施 加的力越大，方向盘安装角度与力的关系如图2 1 3 。如图，可以看出当方向盘安装角度 为0 时，人的施加力可达到最大。但是，人在这种角度操作时，手部腕关节处于非自然 状态，极易产生不适感，因此，方向盘一般不适宜安装成0 角。从人手腕关节的自然姿 势角度考虑，方向盘垂直安装角度最优，但考虑到方向盘垂直安放时，人体两臂悬空肘 西安石油人学硕+ 学位论文 关节肩关节受力，也易引起疲劳，所以方向盘的安装角度通常应选在便于活动的1 5 7 0 度【9 0 一 j ：mm 舢、 一j j(麓) ， ，l 1 n 图2 1 3 方向盘施加力随方向盘角度变化的曲线 ( 2 ) 位置。方向盘与座椅的距离以及与驾驶室下平面的距离应取一合适值，以便驾 驶员能够在驾驶过程中保持肢体各部分的操纵舒适性。若距离座椅较远，驾驶员在操纵 方向盘时手须前伸较大距离，这时，不仅会增大肘关节的角度，而且会加重肩关节受力。 如果方向盘离座椅较近，又会使肘关节角度减小，使前臂和上臂部分肌肉相压迫，限制 手臂的血液循环，方向盘离座椅较近，易影响人对其它操纵装置的控制。因此，方向盘 离座椅的距离应适宜，应使驾驶员在操纵时前臂与上臂的夹角处于舒适夹角范围内。 对于汽车方向盘与座椅距离的确定，可以考虑以p